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TiO_2光催化特性交流阻抗法表征的研究

作　者: 黄方方
导　师: 梁燕萍
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 应用化学
关键词: 溶胶凝胶法 交流阻抗图谱 光催化 等效电路 能带结构参数
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 184次
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内容摘要


本论文采用溶胶-凝胶法（sol-gel）和浸渍提拉工艺在Al2O3薄膜（用铝阳极氧化制得）表面上制备了纳米TiO2光催化薄膜,并利用扫描电子显微镜（SEM）、UV-Vis反射光谱、XRD等方法对薄膜表面的物性进行了表征。1.在黑光灯照射下,将此TiO2/Al2O3薄膜用于光催化降解甲基橙中,然后采用交流阻抗图谱法,研究反应状态下的TiO2半导体多相光催化体系,实验采用TD1025频响仪（FRD）及配套3691dms软件,测量并分析了溶胶凝胶法制备的TiO2薄膜光电极在甲基橙溶液中暗态、光照、不同光强以及改变阳极偏压时的交流阻抗图谱;比较了不同方法制备的TiO2薄膜的阻抗谱。从体系交流阻抗谱图的变化角度,讨论光照与否和外加偏压对甲基橙体系光电催化过程的影响。结果表明:交流阻抗谱的测量能够较好的反映光催化、光电催化降解甲基橙的实验过程;并且发现施加阳极偏压可以提高薄膜的催化性能,施加0.4V左右时的催化效果较佳。2.使用配套等效电路法分析软件ZsimpWin,处理交流阻抗数据。结合半导体光电极的特点,提出三种TiO2薄膜光电极体系的等效电路模型。其电路描述码（CDC代码）分别为:模型I R（RC）（RQ）;模型ⅡR（R（CQ））;模型ⅢR（Q（R（RC）））。对比TiO2薄膜光电极体系阻抗拟合结果,选定模型Ⅲ为本实验体系最合理的等效电路模型。3.系统分析了半导体/溶液界面特性,进一步运用甲基橙体系中等效电路各元件值,计算出TiO2半导体能带结构参数。将TiO2半导体光电催化与半导体能带参数之间的关系加以分析,找出了能带参数中决定TiO2光电催化特性的主要因素空间电荷层宽度W。将TiO2半导体能带结构参数与交流阻抗谱联系起来,从而上升到一个理论的高度来认识TiO2的光电催化。通过交流阻抗谱拟和的数据可以得出一些半导体能带结构参数,空间电荷层宽度W是决定催化性能的重要参数,施加阳极偏压可以使其变宽,当其宽度与薄膜厚度相当时,催化活性较好。本论文初步建立起在电化学反应状态下外加偏压时,交流阻抗图谱法表征TiO2半导体光电极催化活性的方法。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章 绪论  9-25
  1.1 课题研究的背景  9-12
    1.1.1 TiO_2光催化技术  9-10
    1.1.2 交流阻抗技术的发展  10-12
  1.2 TiO_2半导体光催化剂  12-17
    1.2.1 TiO_2的结构特征  12-15
    1.2.2 光催化作用原理  15-17
  1.3 TiO_2光催化剂在环境污染治理中的应用  17-20
    1.3.1 液相污染物的净化处理  17-18
    1.3.2 气相污染物的净化处理  18-19
    1.3.3 抗菌防蚀功能材料  19
    1.3.4 防雾与自清洁功能材料  19-20
  1.4 光催化技术的特点与优势  20-21
  1.5 半导体光催化特性的表征  21-22
  1.6 本论文的研究意义及主要内容  22-25
第二章 TiO_2光电催化体系交流阻抗谱的测量实验  25-45
  2.1 交流阻抗法的简介  25
  2.2 交流阻抗技术的基本原理  25-26
    2.2.1 阻抗的概念  26
    2.2.2 交流阻抗的复数表示  26
  2.3 实验部分  26-28
    2.3.1 实验仪器及药品  26-27
    2.3.2 光电催化反应装置  27-28
  2.4 固定化光催化剂的制备  28-31
    2.4.1 Al_2O_3薄膜的制备  28
    2.4.2 TiO_2薄膜光催化剂的制备  28-29
    2.4.3 TiO_2溶胶的形成机理  29-31
  2.5 TiO_2薄膜表面物性分析  31-34
    2.5.1 TiO_2薄膜的显微形貌分析  31
    2.5.2 紫外可见反射光谱分析  31-32
    2.5.3 XRD图谱分析  32-34
  2.6 光催化降解甲基橙的活性测量  34-36
    2.6.1 光催化与光电催化甲基橙的比较  34-35
    2.6.2 光电催化不同偏压下催化性能的比较  35-36
  2.7 甲基橙光电催化体系  36-42
    2.7.1 交流阻抗图谱与光催化降解甲基橙的联系  36-37
    2.7.2 甲基橙体系的交流阻抗谱图  37-38
    2.7.3 光照不同阳极偏压下TiO_2 /Al_2O_3薄膜的交流阻抗谱  38-40
    2.7.4 不同光强下的TiO_2薄膜交流阻抗谱  40-41
    2.7.5 交流阻抗谱衡量不同方法制备的TiO_2薄膜的光催化特性  41-42
  2.8 本章小结  42-45
第三章 等效电路模型与拟合  45-53
  3.1 电解池等效电路  45-47
  3.2 TiO_2半导体催化剂等效电路模型  47-49
    3.2.1 不存在表面态时的等效电路模型  47-48
    3.2.2 存在表面态时的等效电路模型  48-49
  3.3 等效电路拟合  49-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章 能带结构特征参数计算  53-63
  4.1 “半导体/溶液”界面理论分析  53-57
    4.1.1 暗态下“半导体/溶液”界面  53-55
    4.1.2 表面态与能级钳定现象  55-56
    4.1.3 光照下的“半导体/溶液”界面  56-57
  4.2 能带结构参数计算  57-59
  4.3 能带结构特征参数与阻抗图谱的关系  59-60
  4.4 能带结构特征参数与TiO_2半导体光催化剂的关系  60-61
  4.5 本章小结  61-63
第五章 结论  63-64
参考文献  64-68
致谢  68-69
硕士在读期间的研究成果  69-70
附录  70-71

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 化学动力学、催化作用 > 催化 > 催化剂
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